基于步進電機的稀釋水閥控制系統(tǒng)的設(shè)計

白 濤 鄭 璐 趙功偉 王金妮

（1、延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 延安716000 2、杭州?？迪揽萍加邢薰?，浙江 杭州310000）

1 概述

稀釋水力流漿箱的出現(xiàn)，以一種全新的概念，創(chuàng)造性的提出了濃度調(diào)節(jié)紙機橫幅定量偏差的方法，使得國內(nèi)外相關(guān)研究學(xué)者開始廣泛關(guān)注稀釋水閥。從20 世紀(jì)90 年代初以來，造紙設(shè)備商先后研制開發(fā)了各具特色的、能通過在線濃度調(diào)節(jié)從而控制橫向定量的新概念流漿箱，目前國外有些稀釋水閥已成為系列產(chǎn)品投入生產(chǎn)。與此同時國內(nèi)造紙裝備研究院所及企業(yè)等對流漿箱同樣做了大量的研究，在純機械問題方面，相對比較簡單，同時也取得了很多實用化的科技成果。在實時控制的稀釋系統(tǒng)中，稀釋水閥可部分取代比例閥或伺服閥工作，它的關(guān)鍵執(zhí)行器是稀釋水閥，其一般平行安裝在流漿箱的橫向，通過控制總線接收橫幅定量控制系統(tǒng)發(fā)來的控制信號，稀釋水力流漿箱的出現(xiàn)極大改善了紙機紙張品質(zhì)，控制總線接收橫幅定量控制系統(tǒng)發(fā)來的控制信號，調(diào)節(jié)稀釋水閥上游水閥閥門開度來調(diào)節(jié)稀釋水加入量，進而控制稀白漿濃度來調(diào)節(jié)橫幅定量，消除了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法的靈敏度及分辨率較低和精度差等缺點，紙張質(zhì)量得到了很大的保障。但目前稀釋水閥控制系統(tǒng)監(jiān)測難依然存在以下幾方面因素：一方面由于研制難度相對較大，已經(jīng)成為阻礙我國技術(shù)；另一方面國外公司長期壟斷稀釋水閥，導(dǎo)致其價格比較高而且售后服務(wù)費很貴。因此提高稀釋水閥的控制精度，實現(xiàn)高性價比的稀釋水閥控制器具有重大意義。

2 稀釋水閥及其控制系統(tǒng)

圖1 稀釋水閥控制系統(tǒng)組成

圖2 RS-485 收發(fā)器

稀釋水閥就是步進電機帶動的直行程閥門，控制和改善橫向定量的變化。稀釋水閥控制器體積小，集成度高，其控制系統(tǒng)是以STM32F103 單片機控制為核心，然后利用步進電機驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，通過控制單片機發(fā)出的脈沖來控制步進電機的升速、降速和改變輸入電平的高低來改變步進電機的正反轉(zhuǎn)，然后通過輸出信號控制稀釋水閥閥門的開度，從而實現(xiàn)稀釋水量的調(diào)節(jié)；并利用反饋元件來測量脈沖個數(shù)，這樣通過閉環(huán)控制后達到高精度控制，進而實現(xiàn)橫向控制的目的。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件通信電路由RS-485 收發(fā)器與光耦隔離器件組成。在單片機系統(tǒng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)前，應(yīng)先將SN75176 的接收門或發(fā)送門打開，同時SN75176 芯片兼有TTL 電平到RS-485 電平、RS-485 電平到TTL 電平的轉(zhuǎn)換功能。由于一般工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較差,干擾信號多,為了避免通信總線對系統(tǒng)整體的影響，因此接口電路的設(shè)計需要用到光耦隔離。本次設(shè)計中選擇了一款用于單通道的高速光耦合器6N137。其硬件電路如圖2 所示。

圖3 步進電機控制電路圖

圖4 主程序流程圖

THB6128 高細分兩相混合式步進電機專用驅(qū)動芯片，其與單片機相連接，通過單片機輸出控制信號，即可設(shè)計出高性能的驅(qū)動電路。本次設(shè)計中將單片機的P1 口作為信號輸出口。P1.5管腳與CLK 管腳相連，通過控制輸出脈沖的頻率，即可控制電機的轉(zhuǎn)速；P1.6 管腳與CW 端相連，作為方向信號輸出端，控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向；P1.7 管腳與EN 端相連，作為芯片使能信號輸出端，用來控制THB6128 輸出有效。其驅(qū)動電路如圖3，THB6128 的 OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B 分別與步進電機的A、B 相繞組相連來控制電機按照規(guī)定要求運動。

4 軟件設(shè)計

上位機通過RS-485 發(fā)送指令給單片機，單片機接收到指令后對指令進行校驗，判斷是否完整，然后進行解析處理，由單片機發(fā)送相應(yīng)的信號給步進電機驅(qū) 動 器 THB6128， 然 后 由THB6128 驅(qū)動步進電機完成指令；位置檢測裝置對步進電機的瞬間位置進行采集、處理后送給單片機，然后由單片機將位置信號進行分析并傳回給上位機；為了防止系統(tǒng)在運行過程中出錯，本課題利用X5045 芯片中看門狗模塊來檢測單片機的程序運行狀態(tài)。軟件設(shè)計主要采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，即把整個系統(tǒng)軟件劃分成多個功能獨立，大小適當(dāng)?shù)哪K。

5 實驗結(jié)果

通過計算機不斷地修改定時器初值，從而來改變脈沖的頻率，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)整稀釋水的加入量來控制定量，且這種控制方式滯后小，定量控制效果也是最好的。

6 結(jié)論

針對稀釋水閥的控制精度，控制系統(tǒng)具備一定的通用性，靈活性較強，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整稀釋水的加入量來控制定量，且為稀釋水閥控制系統(tǒng)提供了技術(shù)依據(jù)。